KR20240080278A - 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치는 드론용 모터의 구동을 위한 전력을 출력하는 복수개의 배터리 셀들; 상기 배터리 셀들 각각에 대해 직렬 연결을 스위칭하는 스위치 소자들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 전압을 검출하는 셀전압 센서들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 전류를 검출하는 셀전류 센서들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 모니터링 정보를 저장하는 셀 메모리들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 상태 관리 및 동작을 제어하는 셀 컨트롤러들; 및 상기 셀 모니터링 정보에 포함되는 상기 셀 전압 및 상기 셀 전류에 근거하여, 상기 스위치 소자들에 대한 스위칭 동작을 위한 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 메인 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고방전 드론 배터리 셀별 제어장치{Control apparatus for each cell of high-discharge drone battery}
본 발명은 드론 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 드론을 구동하기 위한 배터리의 상태를 확인 및 관리하기 위한 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치에 관한 것이다.
산업용 드론에 사용되는 리튬배터리는 신재생 에너지에 활용될 정도로 크기 대비 에너지 밀도가 우수하여 가장 널리 사용되고 있는 배터리이다. 리튬배터리는 소형화 기술 및 에너지 저장 효율성이 높은 양극활 물질들의 개발이 큰 성과를 이루었음에도 한 개의 셀에 저장될 수 있는 에너지의 양은 한계가 있어 실제 산업용 드론 운용에 배터리를 사용할 경우 여러 개의 셀들을 직렬 및 병렬로 연결하여 각각의 드론 운용에 필요로 하는 전압 및 전류, 용량에 맞도록 배터리 팩으로 구성하여 사용해야 한다. 이때, 여러 개의 셀들을 배터리 팩으로 구성하여 사용하기 위해선 보호회로가 필수적이나 산업용 드론 시장은 100A의 고방전률을 사용하기 때문에 보호회로가 없는 배터리 팩을 사용하는 특화된 시장이다.
드론 장치는 구성 특성상 고방전이 필요하므로 배터리 보호회로가 없고 여러 셀이 조합된 팩을 사용하며 KC 인증규격조차 없는 매우 위험하고 관리가 필요한 기기이다. 드론 장치는 고방전 및 낮은 무게를 위해 최대한 셀이 압축된 배터리임에도 불구하고, 배터리팩을 구성하는 다수의 셀들 중 하나의 셀이 손상되더라도, 배터리팩 자체를 폐기해야만 하는 비효율적인 특성을 갖는다.
드론 배터리의 운용(고방전) 시에, 배터리 팩 양쪽 끝 셀에 출력이 집중됨에 따라 양쪽 끝셀이 우선적으로 손상된다. 이때 양끝단의 셀에 스웰링 현상이 발생하게 되면, 나머지 셀들이 이상이 없음에도 배터리팩 자체를 폐기해야 한다.
배터리 수명 싸이클이 100회 정도이므로, 시장에서는 소모품 계념으로만 사용하고 있다. 또한 산업용 드론 배터리는 일반사용자가 배터리의 손상여부를 확인 할 수가 없어 사용 중에도 배터리 발화 및 폭발 화재가 발생한다. 또한, 드론용 배터리의 특성상 높은 소모성으로 인해 잦은 폐기로 환경오염 문제가 증대되고 있다.
즉, 직렬, 병렬 조합으로 된 배터리 팩 상태는 셀간의 전압 불균형이 발생을 하게 된다. 오랜시간 충전, 방전을 하다 보면 셀간의 온도 편차, 셀과 셀을 연결하는 연결부위에 존재하는 기생저항 성분, 셀의 노화 등에 의해 셀간 전압 편차가 발생을 하게 된다. 이는 셀 간의 전압편차 및 온도편차는 배터리의 팩의 전체용량 사용 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 노화를 가속 시키고 배터리 과열 및 스웰링 현상이 발생하고 과충전 또는 과방전의 원인이 되어 배터리 폭발 화재 사고의 원인이 되기도 한다. 또한 셀을 직렬 연결 구조로 출력 (-) (+) 선이 양쪽 끝 셀에서 바로 출력됨에 따라 배터리를 보호하지 못하고, 또한 배터리 충전, 방전시 배터리의 화학반응에 의한 발열이 양끝에 위치한 셀에 출력이 집중되는 현상으로 배터리 수명이 단축되어 쉽게 망가지는 현상이 발생한다. 이에 따라, 복수개의 셀들 중 한개라도 셀이 손상되면 근접한 셀들에 영향을 주어 또 다른 손상이 발생하게 된다. [선행기술문헌: KR 등록특허공보 10-1847296]
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 드론용 배터리의 충전 및 방전시 배터리 셀별로 상태를 확인하고, 배터리 셀들 사이의 연결 저항성분을 제거하여 배터리 수명을 연장 및 스웰링 방지를 위한 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치는 드론용 모터의 구동을 위한 전력을 출력하는 복수개의 배터리 셀들; 상기 배터리 셀들 각각에 대해 직렬 연결을 스위칭하는 스위치 소자들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 전압을 검출하는 셀전압 센서들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 전류를 검출하는 셀전류 센서들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 모니터링 정보를 저장하는 셀 메모리들; 상기 배터리 셀들 각각에 대한 상태 관리 및 동작을 제어하는 셀 컨트롤러들; 및 상기 셀 모니터링 정보에 포함되는 상기 셀 전압 및 상기 셀 전류에 근거하여, 상기 스위치 소자들에 대한 스위칭 동작을 위한 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 메인 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 소자들은, 트랜지스터 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀 모니터링 정보는, 상기 셀전압 센서들 각각의 셀 전압 및 상기 셀전류 센서들 각각의 셀 전류를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀 컨트롤러들은, 상기 셀 모니터링 정보를 상기 셀 메모리들에 각각 저장하도록 제어하고, 상기 메인 컨트롤러의 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위치 소자들 각각에 대한 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 컨트롤러는, 상기 셀 모니터링 정보에 포함되는 상기 배터리 셀들 각각의 셀 전압을 이용해 상기 배터리 셀들 사이의 전압 편차값을 산출하고, 상기 산출된 전압 편차값에 대응하는 상기 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 셀들 각각에 대한 온도를 검출하는 셀온도 센서들을 더 포함하고, 상기 메인 컨트롤러는, 검출된 셀 온도에 따라 상기 스위칭 제어신호에 대해 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 베터리 셀들 전체의 전압을 나타내는 메인 전압을 검출하는 메인 전압센서를 더 포함하고, 상기 메인 컨트롤러는, 상기 메인 전압센서에서 검출된 상기 메인 전압에 따라 상기 배터리 셀들 각각에 대한 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 컨트롤러는, 상기 스위치 소자들 각각에 대한 펄스폭 변조 제어를 위한 PWM 제어신호를 상기 스위칭 제어신호로서 상기 셀 컨트롤러들로 각각 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 컨트롤러는, 상기 셀 전압이 일정 전압 이상인 경우에 PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 상기 스위칭 제어신호로서 상기 셀 컨트롤러들로 각각 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 컨트롤러는, 상기 메인 전압이 일정 전압 이상인 경우에 PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 상기 스위칭 제어신호로서 상기 셀 컨트롤러들로 각각 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀별 상태(셀전압, 팩전압, 충.방전전류. 온도,싸이클횟수, 배터리용량 등)를 실시간으로 확인이 가능하며, PWM 출력 제어를 통해 발열을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩에서 발생하는 스웰링 현상을 최소화할 수 있고, 배터리의 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 온도센싱 및 출력제어로 배터리 열화 및 손상을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 배터리용량 유지 및 수명 싸이클 연장이 가능하다.
또한, 배터리 관리(셀전압. 셀용량, 온도, 배터리 SOC, 싸이클횟수, 충방전 전류상태 확인) 등을 통해, 배터리 상태에 대한 실시간 확인이 가능하다. 즉, 배터리 상태 정보인 셀전압, 충전 용량 및 시간 등 배터리 상태를 확인할 수 있는 정보를 출력함으로써, 자체 배터리 재사용 분석 시스템을 통한 재활용이 가능하며 배터리 수명연장과 손상으로 인한 배터리 폭발, 화재 발생을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치를 설명하기 위한 일 실시예의 구성 블록도이다.
도 2는 6개의 배터리 셀들이 각각 스위치 소자들인 트랜지스터 소자들에 의해 연결된 상태를 예시하는 참조도이다.
도 3a는 종래 기술에 따른 배터리 출력량 및 온도에 대한 일 예의 그래프를 나타내는 참조도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 배터리 출력량 및 온도에 대한 일 예의 그래프를 나타내는 참조도이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
드론은 구조 특성상 고방전이 필요하므로 배터리 보호회로가 없고 여러 셀이 조합된 팩을 사용하며 KC 인증규격조차 없는 매우 위험하고 관리가 필요하다.
그런데, 고방전 및 낮은무게를 위해 최대한 셀이 압축되어있는 고가의 배터리 임에도 불구하고 1개의 셀의 손상되면 배터리팩 자체를 폐기 해야하므로 비효율적인 특성을 갖는다.
일반적으로, 배터리 팩에 셀 상태가 좋지 않은 셀이 있는 상태에서 팩 방전시 방전 전류가 상승되면 특히 손상 셀 전압이 급격히 하강하게 되는데, 본 발명에서는 각 셀별 방전 전류를 실시간 제어하여 셀별 방전 전류값 상승대비 전압 하강기준값에서 벗어나는 경우에 자동으로 방전전류를 셀별 FET 제어로 조절하여 화학물질인 배터리 셀 상태에 맞추어 최적의 효율로 방전 될 수 있도록 한다.
배터리 방전시에는 배터리 스스로 배터리 상태를 확인하고 온도에 따라 양쪽끝 셀의 출력 집중 현상 감소 및 온도 상승을 완화 시키고 방전 전류 상승대비 전압 하강폭을 확인하여 출력을 제어하며 배터리 팩을 보호한다.
본 발명은 셀별 스마트 드론 배터리 팩은 배터리 상태 (셀전압, 팩전압, 충.방전전류. 온도,싸이클횟수, 배터리용량,)를 실시간으로 확인이 가능하며 메인 컨트롤러를 이용한 PWM 출력 제어를 통해 발열을 감소시킨다. 또한 배터리 상태 정보인 셀전압, 충전 용량 및 시간 등 배터리 건강 상태를 확인할 수 있는 정보를 출력 함으로써 자체 배터리 재사용 분석 시스템을 통한 재활용이 가능하며 배터리 수명연장과 손상으로 인한 배터리 폭발, 화재의 니즈를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치를 설명하기 위한 일 실시예의 구성 블록도이다.
도 1을 참조하면, 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치(100)는 배터리 셀들(110), 스위치 소자들(120), 셀전압 센서들(130), 셀전류 센서들(140), 셀온도 센서들(150), 셀 메모리들(160), 셀 컨트롤러들(170), 메인 전압센서(180), 메인 컨트롤러(190)를 포함하고 있다.
도 1에서, 배터리 셀들(110), 스위치 소자들(120), 셀전압 센서들(130), 셀전류 센서들(140), 셀온도 센서들(150), 셀 메모리들(160), 셀 컨트롤러들(170)은 각각 4개씩 구비되어 있는 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것이며, 각각의 구성요소가 4개 이하 또는 4개 이상 구비된 것일 수 있다.
배터리 셀들(110) 각각은 드론용 모터의 구동을 위한 전력을 충전 및 방전하는 셀이다. 배터리 셀들(110)은 예를 들어 리튬 배터리를 사용한다. 산업용 드론에 사용되는 리튬 배터리는 신재생 에너지에 활용될 정도로 크기 대비 에너지 밀도가 우수하여 가장 널리 사용되고 있는 배터리이다. 리튬 배터리는 소형화 기술 및 에너지 저장 효율성이 높은 양극활 물질들의 개발이 큰 성과를 이루었음에도 한 개의 셀에 저장될 수 있는 에너지의 양은 한계가 있어 실제 산업용 드론 운용에 배터리를 사용할 경우 여러 개의 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 각각의 드론 운용에 필요로 하는 전압 및 전류, 용량에 맞도록 배터리 팩으로 구성하여 사용해야 한다.
배터리 셀들(110)은 각각 소정의 출력 전압 및 전력을 생성하기 위해 마련된 구성요소로서, 서로 중첩 및 적층되어 하나의 배터리 팩을 구성하게 된다. 배터리 팩은 배터리 셀들(110)과 배터리 셀들(110)을 수용하는 배터리 케이스를 포함할 수 있다. 배터리 케이스는 대략 전후 방향으로 긴 장방형의 육면체 구조인 것을 예시할 수 있다.
배터리 셀들(110)은 각각 전해질 속의 양극판 및 음극판과, 전해질, 양극판 및 음극판을 감싸 밀봉하는 피막과, 양극판과 음극판을 외부의 스위치 소자들(120)과 각각 전기적으로 연결하기 위한 돌출 형태의 전극인 리드탭(플러스 리드탭 및 마이너스 리드탭)을 포함할 수 있다. 이때, 플러스 리드탭 및 마이너스 리드탭은 플레이트 형태의 배터리 셀의 상부 또는 하부 중 어느 한 방향에 형성된 것일 수 있다. 또한, 복수의 배터리셀들(110) 사이에는 필요에 따라 충방전에 따른 스웰링 현상을 방지하고 외부 충격으로부터 배터리셀들(110)을 보호하는 폴리우레탄 등의 소재로 제작된 완충패드(미도시)가 구비된 것일 수도 있다.
스위치 소자들(120)은 각각 배터리 셀들(110)에 대해 직렬 연결하는 소자이다. 스위치 소자들(120)은 배터리 셀들(110) 간의 리드탭을 상호 연결하기 위한 것으로, 어느 하나의 배터리 셀(110)의 리드탭과 다른 배터리 셀(110)의 리드탭을 직렬 연결할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스위치 소자들(120) 각각은 어느 하나의 배터리 셀(110)에 대한 마이너스 리드탭과 다른 하나의 배터리 셀(110)에 대한 플러스 리드탭을 직렬 연결할 수 있다.
이러한, 스위치 소자들(120)은 트랜지스터 소자를 사용하는 것일 수 있다. 여기서, 트랜지스터 소자는 FET (Field Effect Transistor) 소자를 포함할 수 있다.
도 2는 6개의 배터리 셀들(110)이 각각 스위치 소자들(120)인 트랜지스터 소자들에 의해 연결된 상태를 예시하는 참조도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀들(110)이 각각 트랜지스터 소자들에 의해 연결됨으로써, PWM (Pulse Width Modulation) 펄스 변조와 듀티 (Duty) 싸이클을 통해 스위치 ON/OFF 동작이 가능하며 최소 30Hz 최고 2KhZ 범위내에서 스위칭 동작이 이루어질 수 있고, 방전 출력에 따른 순간 대응이 가능하다.
셀전압 센서들(130)은 각각 배터리 셀들(110)에 대한 셀 전압을 각각 검출한다. 셀전압 센서들(130)은 양(+)의 단자와 음(-)의 단자가 각각 배터리 셀들(110)의 리드탭의 양단에 연결되어 배터리 셀들(110)의 전압을 검출한다. 이러한, 셀전압 센서들(130)은 다양한 형태의 전압 검출 회로로 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀전압 센서들(130)은 적어도 하나의 OP-AMP, 저항 및 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다. 셀전압 센서들(130)은 검출된 셀 전압에 대해 각각의 셀 메모리들(170)로 전달한다.
셀전류 센서들(140)은 각각 배터리 셀들(110)에 대한 셀 전류를 각각 검출한다. 셀전류 센서들(140)은 각각 배터리 셀들(110)의 출력 단자에 연결되어 각각의 배터리 셀들(110)에 대한 전류를 검출한다. 이러한, 셀전류 센서들(140)의 경우에도 다양한 형태의 전류 검출 회로로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 적어도 하나의 OP-AMP, 저항 및 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다. 셀전류 센서들(140)은 검출된 셀 전류에 대해 각각의 셀 메모리들(170)로 전달한다.
셀온도 센서들(150) 각각은 배터리 셀들(110) 각각에 대한 온도를 검출한다. 이러한 셀온도 센서들(150) 각각은 예를 들어, 서미스터(thermistor)가 사용될 수 있다. 셀온도 센서들(150) 각각은 배터리 셀들(110)과 저항으로 연결되어 각각으로부터 전원을 공급받아 활성화되어 온도에 따라 저항을 변화시킴에 의해 발생되는 검출 온도를 각각의 셀 메모리들(170)로 전달한다.
셀 메모리들(160) 각각은 배터리 셀들(110) 각각에 대한 셀 모니터링 정보를 저장한다. 여기서, 셀 모니터링 정보는 셀전압 센서들(130) 각각의 셀 전압, 셀전류 센서들(140) 각각의 셀 전류 및 셀온도 센서들(150) 각각의 셀 온도에 대한 정보를 포함할 수 있다.
셀 메모리들(160) 각각은 셀 컨트롤러들(170)의 제어에 따라 셀전압 센서들(130)의 셀 전압, 셀전류 센서들(140)의 셀 전류 또는 셀온도 센서들(150)의 셀 온도에 대한 정보를 저장하거나, 셀 컨트롤러들(170)의 요청에 따라 셀 전압, 셀 전류 또는 셀 온도에 대한 정보를 제공할 수 있다.
셀 컨트롤러들(170) 각각은 배터리 셀들(110) 각각에 대한 상태 관리 및 동작을 제어한다.
배터리 셀들(110) 각각에 대한 상태 관리를 위해, 셀 컨트롤러들(170) 각각은 셀 모니터링 정보로서 셀전압 센서들(130) 각각의 셀 전압, 셀전류 센서들(140) 각각의 셀 전류 또는 셀온도 센서들(150) 각각의 셀 온도에 대한 정보를 셀 메모리들(160)에 저장하도록 셀전압 센서들(130), 셀전류 센서들(140) 및 셀온도 센서들(150)의 동작을 제어한다.
셀 컨트롤러들(170)은 각각 배터리 셀들(110)에 대응하는 셀 모니터링 정보를 메인 컨트롤러(190)로 전달한다. 셀 컨트롤러들(170)은 셀 모니터링 정보로서, 셀전압 센서들(130) 각각의 셀 전압, 셀전류 센서들(140) 각각의 셀 전류 또는 셀온도 센서들(150) 각각의 셀 온도에 대한 정보를 메인 컨트롤러(190)로 전달할 수 있다. 셀 컨트롤러들(170)은 셀 모니터링 정보의 전달 및 메인 컨트롤러(190)의 스위칭 제어신호의 수신을 위해 메인 컨트롤러(190)와 전기적으로 연결되어 있다.
또한, 셀 컨트롤러들(170)은 메인 컨트롤러(190)로부터 스위치 소자들(120) 각각에 대한 스위칭 제어신호를 전달받으면, 스위칭 제어신호에 따라 스위치 소자들(120) 각각에 대한 스위칭 동작을 제어한다.
메인 전압센서(180)는 베터리 셀들(110) 전체의 전압을 나타내는 메인 전압을 검출한다. 메인 전압센서(180)는 양(+)의 단자와 음(-)의 단자가 각각 배터리 셀들(110)을 포함하는 배터리팩의 입력단자(도 1의 IN) 및 출력단자(도 1의 OUT)에 연결되어 배터리 셀들(110) 전체의 전압을 검출한다. 이러한, 메인 전압센서(180)는 다양한 형태의 전압 검출 회로로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 적어도 하나의 OP-AMP, 저항 및 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다. 메인 전압센서(180)는 검출된 메인 전압에 대해 메인 컨트롤러(190)로 전달한다.
메인 컨트롤러(190)는 셀 모니터링 정보에 포함되는 셀 전압, 셀 전류 또는 셀 온도에 근거하여, 스위치 소자들(120)의 스위칭 동작을 위한 스위칭 제어신호를 셀 컨트롤러들(170)로 전달한다.
메인 컨트롤러(190)는 셀 모니터링 정보에 포함되는 배터리 셀들(110) 각각의 셀 전압을 이용해 배터리 셀들(110) 사이의 전압 편차값을 산출하고, 산출된 전압 편차값에 대응하는 스위칭 제어신호를 해당 셀 컨트롤러들(170)로 전달한다.
메인 컨트롤러(190)는 배터리 셀들(110)의 전압 불균형 즉, 전압 편차가 일정 범위 이상 발생시 각 배터리 셀들(110)의 균등 충전과 방전을 수행하여 균일한 상태를 유지하도록 하기 위해, PWM 제어신호를 셀 컨트롤러들(170)로 각각 전달한다. 메인 컨트롤러(190)는 스위치 소자들(120) 각각에 대한 펄스폭 변조 제어를 위한 PWM 제어신호를 스위칭 제어신호로서 셀 컨트롤러들(170)로 각각 전달한다.
예를 들어, 배터리 셀들(110) 사이의 전압 편차값이 0.05[V] 이상인 경우에, 메인 컨트롤러(190)는 출력 전압의 밸런싱을 위한 스위칭 제어신호를 해당 셀 컨트롤러들(170)로 전달한다. 이에 따라, 셀 컨트롤러들(170)는 전달받은 스위칭 제어신호에 따라 각 셀의 출력 전압에 대한 전압 밸런싱을 위한 스위칭 제어 동작을 수행한다.
또한, 메인 컨트롤러(190)는 셀 전압센서들(130)에서 검출된 셀 전압에 따라 배터리 셀들(110) 각각에 대한 스위칭 제어신호를 셀 컨트롤러들(170)로 전달한다. 메인 컨트롤러(190)는 셀 전압이 일정 전압(예를 들어, 4.2[V]) 이상인 경우에, 전압이 방전되도록 하는 스위칭 제어신호를 셀 컨트롤러들(170)로 전달한다. 또한, 메인 컨트롤러(190)는 특정 배터리 셀의 셀 전압이 급격히 감소하는 경우에, PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 해당 배터리 셀에 대응하는 셀 컨트롤러(170)로 전달한다. 이에 따라, 셀 컨트롤러들(170)은 메인 컨트롤러(190)로부터 전달받은 PWM 제어신호에 따라, 스위치 소자들(120)의 스위칭 동작을 제어한다.
또한, 메인 컨트롤러(190)는 메인 전압이 일정 전압 이상인 경우에 PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 셀 컨트롤러들(170)로 각각 전달한다. 이에 따라, 셀 컨트롤러들(170)은 메인 컨트롤러(190)로부터 전달받은 PWM 제어신호에 따라, 스위치 소자들(120)의 스위칭 동작을 제어한다.
또한, 메인 컨트롤러(190)는 검출된 셀 온도에 따라 상기 스위칭 제어신호에 대해 상기 셀 컨트롤러들로 전달한다. 방전시 셀의 온도가 특히 높을 경우, 메인 컨트롤러(190)는 셀 방전전류 상승 대비 온도상승율을 확인하여 방전전류를 낮추어 셀간 방전전류를 재분배 또는 제어한다.
메인 컨트롤러(190)는 셀 온도가 일정 온도 이상인 경우에, PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 해당 배터리 셀에 대응하는 셀 컨트롤러(170)로 전달한다. 이에 따라, 해당 셀 컨트롤러(170)는 메인 컨트롤러(190)로부터 전달받은 PWM 제어신호에 따라, 스위치 소자(120)의 스위칭 동작을 제어한다.
도 3a는 종래 기술에 따른 배터리 출력량 및 온도에 대한 일 예의 그래프를 나타내는 참조도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 배터리 출력량 및 온도에 대한 일 예의 그래프를 나타내는 참조도이다.
도 3a을 참조하면, 현재 드론 운용시 각 셀 상태 여부 확인 없이 전력을 방전한다. 이때 셀 상태에 따른 급격한 온도 상승 및 셀간 온도 전이 문제로 인해 열화 현상이 증폭되어 배터리 셀 수명단축 및 방전 용량 하강(체공시간단축)의 주원인이 된다.
이에 비해, 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따라 배터리 방전시에는 배터리 스스로 배터리 상태를 확인하고 온도에 따라 양쪽 끝 셀의 출력 집중 현상을 감소 및 온도 상승을 완화시키고 출력을 제어한다.
본 발명의 배터리 온도에 따른 방전 전류 셀별 출력 제어를 위해, 직렬 연결된 배터리 셀 마다의 온도 측정을 하여 온도 편차를 측정하고, 직렬 연결이 되는 물리적 연결을 회로적인 스위치(FET)로 연결하여 배터리 상호간의 영향을 차단한다. 양쪽끝 셀의 출력측에 물리적 연결을 회로적인 스위치(FET)로 연결하여 필요 이상의 배터리 출력을 차단하기 위한 회로를 구성한다. 메인 컨트롤러에 각 스위치(FET)와 온도를 측정 및 제어를 하기 위한 설계와 배터리 셀전압을 센싱하고 배터리 밸런싱을 위한 회로를 구성한다. 배터리 상태 (셀전압, 온도, 출력전류, 싸이클횟수)등을 통신 전송을 위한 회로를 구성한다.
또한, 배터리 수명연장 및 배터리 손상으로 인한 폭발 방지를 위해, 스위치(FET) 는 PWM (Pulse Width Modulation) 펄스 변조와 듀티 (Duty) 싸이클을 통해 스위치 (FET) ON/OFF 가 가능하며 최소 30Hz 최고 2KhZ 범위내에서 스위칭이 가능하며 방전 출력에 따른 순간 대응이 가능하다.
또한, 각 셀의 온도에 대한 편차 발생시 셀 연결 스위치(FET)를 동작하여 높은 온도의 셀의 출력을 낮추고 낮은 온도의 셀의 출력을 유지하는 방식으로 배터리의 출력 온도를 일정하게 유지한다.
또한, 양쪽 끝에 위치한 셀의 스위치(FET)를 동작하여 80~100A 의 출력을 유지하고 순간 150A까지 PEAK 전류에 대한 배터리 손상 및 온도상승을 완화하여 배터리 양쪽 끝셀의 온도 집중현상으로 인한 배터리 손상을 줄여 스웰링 현상을 감소시킨다.
또한, 배터리 이상 상태 (셀전압 편차, 과전압, 고온도, 저전압)에 대한 배터리 관리 기능(셀밸런스, 과전압 알림 및 배터리 방전, 고온도 알림, 저전압 알림 등)에 의해 배터리 건강상태 유지 및 사용자 알림 기능 동작을 수행한다. 또한, 배터리 보관시 셀 상호간의 간섭영향 및 기생저항분을 막기위한 셀 연결 스위치(FET)를 OFF 상태로 유지하여 배터리의 수명을 연장한다.
또한, 셀별 스마트 BMS(배터리)는 펌웨어 알고리즘을 적용하여 드론 운용 중 모터에서 소모하는 출력량을 확인하고 FET로 제어하여 필요한 전류량을 공급하며 필요치 않은 전류 소모를 억제한다. 또한 셀별 연결부의 PWM 제어 방식으로 전류소모량 대비 셀 전압이 높거나 혹은 낮은 셀을 확인되었을 때 PWM 셀별 제어 신호를 통하여 해당 셀의 출력을 낮추거나 높여 근접 셀의 출력을 소모하여 한 개에 셀이 받는 출력을 순간 분산시켜 출력량을 동일하게 유지시킬 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100: 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치
110: 배터리 셀들
120: 스위치 소자들
130: 셀전압 센서들
140: 셀전류 센서들
150: 셀온도 센서들
160: 셀 메모리들
170: 셀 컨트롤러들
180: 메인 전압센서
190: 메인 컨트롤러

Claims (10)

  1. 드론용 모터의 구동을 위한 전력을 출력하는 복수개의 배터리 셀들;
    상기 배터리 셀들 각각에 대해 직렬 연결을 스위칭하는 스위치 소자들;
    상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 전압을 검출하는 셀전압 센서들;
    상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 전류를 검출하는 셀전류 센서들;
    상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 모니터링 정보를 저장하는 셀 메모리들;
    상기 배터리 셀들 각각에 대한 상태 관리 및 동작을 제어하는 셀 컨트롤러들; 및
    상기 셀 모니터링 정보에 포함되는 상기 셀 전압 및 상기 셀 전류에 근거하여, 상기 스위치 소자들에 대한 스위칭 동작을 위한 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 메인 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치 소자들은,
    트랜지스터 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 모니터링 정보는,
    상기 셀전압 센서들 각각의 셀 전압 및 상기 셀전류 센서들 각각의 셀 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 셀 컨트롤러들은,
    상기 셀 모니터링 정보를 상기 셀 메모리들에 각각 저장하도록 제어하고, 상기 메인 컨트롤러의 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위치 소자들 각각에 대한 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 셀 모니터링 정보에 포함되는 상기 배터리 셀들 각각의 셀 전압을 이용해 상기 배터리 셀들 사이의 전압 편차값을 산출하고, 상기 산출된 전압 편차값에 대응하는 상기 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀들 각각에 대한 온도를 검출하는 셀온도 센서들을 더 포함하고,
    상기 메인 컨트롤러는,
    검출된 셀 온도에 따라 상기 스위칭 제어신호에 대해 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 베터리 셀들 전체의 전압을 나타내는 메인 전압을 검출하는 메인 전압센서를 더 포함하고,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 메인 전압센서에서 검출된 상기 메인 전압에 따라 상기 배터리 셀들 각각에 대한 스위칭 제어신호를 상기 셀 컨트롤러들로 전달하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 스위치 소자들 각각에 대한 펄스폭 변조 제어를 위한 PWM 제어신호를 상기 스위칭 제어신호로서 상기 셀 컨트롤러들로 각각 전달하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 셀 전압이 일정 전압 이상인 경우에 PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 상기 스위칭 제어신호로서 상기 셀 컨트롤러들로 각각 전달하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 메인 전압이 일정 전압 이상인 경우에 PWM 주파수가 증가되고 듀티비가 감소된 PWM 제어신호를 상기 스위칭 제어신호로서 상기 셀 컨트롤러들로 각각 전달하는 것을 특징으로 하는 고방전 드론 배터리 셀별 제어장치.
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